CN106980178A - 一种位相型LCoS图像信号处理方法以及近眼显示*** - Google Patents

一种位相型LCoS图像信号处理方法以及近眼显示*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种位相型LCoS图像信号处理方法，利用改进的GS算法对输入位相型LCoS的图像信息和入射光调制生成光学图像。本发明还公开一种位相型LCoS近眼显示***，包括光源模块，用于发出激光并生成入射至位相型LCoS模块的准直均匀平面波；位相型LCoS模块，包括位相型LCoS和处理单元，所述的处理单元用于处理输入所述位相型LCoS的图像信号进行处理，所述的位相型LCoS用于显示处理单元输入的图像信息并反射携带图像信息的光束；所述的图像接收模块或人眼，用于采集由所述位相型LCoS反射的光束携带的图像信息，将生成的光学虚拟图像与现实场景叠加，生成图像即满足虚拟现实效果。

Description

一种位相型LCoS图像信号处理方法以及近眼显示***
技术领域
本发明属于近眼显示技术领域，尤其涉及一种位相型LCoS图像信号处理方法以及位相型LCoS近眼显示***。
背景技术
近眼显示技术被广泛应用于很多领域，早期以军事、科研为主，随着科技的进步以及核心技术的突破，近眼显示***已经稳步向外形轻便、价格低廉的方向发展。近眼显示***现在已经逐步进入日常生活中，人们可以通过近眼显示***进行各种娱乐，比如看电影、玩游戏。近眼显示***将会进一步丰富人们的生活。
LCoS作为一种微型显示技术在20世纪90年代末兴起，随着技术的成熟、工艺的完善，已逐渐在近眼显示领域有了不错的应用。此外，LCoS显示技术正以其高解析度、高亮度、低成本等优点逐步取代以往的显示技术以及投影技术，LCoS显示技术的一个很重要的优点是可以在小屏幕内显示高分辨率的图像内容。
LCoS的结构是在单晶硅上生长电晶体，利用半导体集成制作驱动面板，然后在电晶体上通过研磨技术磨平，并在上面镀铝膜电极作为反射镜，形成CMOS有源点阵基板，然后将CMOS基板与含有ITO透明电极的上玻璃基板贴合，再注入液晶周日行封装。位相型LCoS分辨率为1920*1080，由LETO空间光调制器(SLM)控制。位相型LCoS每个像素的间距为6.4微米，像素间缝隙为0.2微米，开口率达到93％，反射率达到75％。LETO相位调制器作为LCoS控制器放置在外部并通过HDMI线与电脑显卡相连，且不需要另外的软件或是专用硬件来控制。如果需要进一步校准LETO设备，需要标准的USB连接。设备提供256灰度级次回应用户指定的波长，通过提供的矫正软件可以在2π范围内调整响应使设备适应不同的波长需要。
输入位相型LCoS的图像信号都是通过计算全息的方法计算获得，而在其中最基础是GS(Gerchberg-Saxton)算法。GS算法的基本思路是：已知初始相位和事先给定的入射光场分布，通过做正向衍射变换，得到输出平面光场分布；在输出平面引入限制条件，即以期望的光场振幅分布取代原光场振幅分布，同时保持相位不变；然后做逆向衍射变换，得到输入平面光场分布；在输入平面引入限制条件，即以给定的光场振幅分布取代原光场振幅分布，同时保持相位不变；接着再次做正向衍射变换，如此循环下去，直至得到满意结果或达到足够多的循环次数为止。由于LCoS具有离散像素结构可以被认为是一种光栅结构，所以LCoS成像将不可避免的形成零级亮斑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种位相型LCoS图像信号处理方法以及近眼显示***，LCoS成像***以往多用于投影***中，本发明对以往的投影***加以改进，提出了全新的基于LCoS图像信号处理方法的近眼显示***，并通过一系列方法增大了***视场角，适当的提高了清晰度。
现有的GS算法在最初几次迭代时，收敛速度较快，但在随后收敛速度大大减慢。本发明的图像信号处理方法也在GS算法的基础上进行了适当调整，引进一些参数控制其误差函数并改善收敛速度以适应本发明的使用要求。
本发明中输入位相型LCoS的大部分相息图都是由GS算法或其改进算法计算所得。GS算法实在物平面和谱平面之间来回迭代进行傅里叶变换，并在物平面和谱平面上施加已知的限制条件，因此也将此算法称为迭代傅里叶变换算法。
为解决上述的技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种位相型LCoS图像信号处理方法，包括：
步骤1：生成初始图像对应的物面波函数A表示入射光的振幅，表示初始的相位，i表示虚数单位，不具有实际物理意义；
步骤2：将初始的物面波函数fn代入基尔霍夫衍射积分式，进行傅里叶变换得到其谱面波函数un；
步骤3：利用初始图像的实振幅B取代谱面波函数un的振幅，生成新的谱面波函数
步骤4：对新的谱面波函数代入基尔霍夫逆衍射积分公式进行逆傅里叶变换得到物面波函数fn+1；
步骤5：利用实振幅A取代物面波函数fn+1的振幅，组成下一次迭代的物面波函数
步骤6：重复步骤2～步骤5的迭代循环，判断每次迭代后的均方误差SSE和拟合系数η，直至相邻两次迭代后的均方误差SSE和拟合系数η小于设定的阈值，并输出n次迭代后的物面波函数；
步骤7：加载闪耀光栅的相位信息并与n次迭代的物面波函数的相位，算得新的相位分布为 为闪耀光栅的相位信息，为n次迭代后物面波函数的相位，即为输入位相型LCoS的图像信息对应的相位。
本发明的步骤6中，所述的阈值为相邻两次迭代后均方误差的变化量，作为有选的，在变化量小于10％时停止迭代。
本发明还提供一种位相型LCoS近眼显示***，包括光源模块、位相型LCoS模块和图像接收模块，
所述的光源模块，用于发出激光并生成入射至位相型LCoS模块的准直均匀平面波；
位相型LCoS模块，包括位相型LCoS和处理单元，所述的处理单元根据上述位相型LCoS图像信号处理方法对输入所述位相型LCoS的图像信号进行处理，所述的位相型LCoS用于显示处理单元输入的图像信息并反射携带图像信息的光束；
所述的图像接收模块，用于采集由所述位相型LCoS反射的光束携带的图像信息，记录位相型LCoS产生的衍射图像和投射的现实场景图像。
本发明中，位相型LCoS模块内的处理单元根据输入的图像信息和入射的光束调制，生成位相型LCoS显示的图像信息。图像接收模块将生成的光学虚拟图像与现实场景叠加并记录在，生成图像即满足虚拟现实效果。
作为有选的，所述的光源模块包括沿光路依次布置的：用于发出激光光束的激光器；用于调节入射位相型LCoS的激光光强的可调衰减器；用于将入射到位相型LCoS的激光变成准直均匀平面波的扩束准直机构，扩束准直机构通过更换不同大小的针孔以调节扩束后均匀光斑的直径大小。
在上述的位相型LCoS模块中，位相型LCoS由LETO空间光调制器控制，LETO空间光调制器由HDMI线连接到处理单元(如计算机)。在计算机上通过相应的算法将所需的图像计算并生成其相息图，然后通过LETO空间光调制器将相息图输入LCoS中。
相息图需要由计算全息的方法获得，本发明提出的算法在GS算法的基础上适当改进消除了零级亮斑的干扰，提高了清晰度，在接下来的实施例中将介绍改进GS算法生成相息图的过程。
在所述的位相型LCoS模块中，为了初始化或重新校准LCoS的参数，需要将LETO空间光调制器通过USB线直接与计算机相连，并通过配套软件设置波长参数，调整相位匹配，以获得更好的图像输出。
作为优选的，所述的扩束准直机构和位相型LCoS间设置偏振棱镜或极化分光镜，用于发射扩束准直机构出射的光束进入位相型LCoS并透射位相型LCoS表面反射的光束。
作为优选的，在所述的位相型LCoS和图像接收模块间设置4f***和光阑；所述的4f***具有沿光路依次设置的两片凸透镜，第一片透镜焦距100mm，第二前透镜焦距400mm，第一片透镜的后焦面和第二片透镜的前焦面重合；所述光阑位于4f***的第一片透镜的后焦点处。
本发明通过添加4f***以增大视场角，同时4f***的中心焦点处添加光阑以滤除高级衍射亮斑，提高成像清晰度。
本发明还提出基于位相型LCoS近眼显示***镜像设计后改进成双目显示***，同时将镜像后的LCoS显示的相息图镜像处理即可保证双眼看到的虚拟图像相同。
一种位相型LCoS近眼显示***，包括镜架以及安装在镜架内的光源模块和位相型LCoS模块；
所述的光源模块，用于发出激光并生成入射至位相型LCoS模块的准直均匀平面波；
位相型LCoS模块，包括位相型LCoS和处理单元，所述的处理单元根据权利要求1～3所述的位相型LCoS图像信号处理方法对输入所述位相型LCoS的图像信号进行处理，所述的位相型LCoS用于显示处理单元输入的图像信息并反射携带有图像信息的光束，由所述的位相型LCoS反射的光束进入人眼形成双目显示。
本发明中的位相型LCoS近眼显示***通过镜架适合人眼佩戴，人眼可取代图像接收模块进行双目显示；进一步的，可以通过两套位相型LCoS近眼显示***，同时将镜像后的LCoS显示的相息图镜像处理即可保证双眼看到的虚拟图像相同。
为满足人眼双目显示的需要，作为优选的，在所述的位相型LCoS和人眼间设置4f***和光阑；所述的4f***具有沿光路依次设置的两片凸透镜，第一片透镜焦距30mm，第二前透镜焦距60mm，第一片透镜的后焦面和第二片透镜的前焦面重合；所述光阑位于4f***的第一片透镜的后焦点处。
本发明还可以通过同一位相型LCoS近眼显示***实现双眼的双目显示，作为优选的，分别在左右眼的正前方沿光路放置第一半透半反镜和第二半透半反镜，用于反射相同光强进入左右眼。因此，通过设计两块半透半反镜的透过率和反射率可同样保证双眼看到虚拟图像相同，同时降低了设计复杂度。
附图说明
图1为一个基于GS算法得出目标图片相息图的流程图实施例；
图2为位相型LCoS近眼显示***最基本的结构图；
图3为位相型LCoS近眼显示***增大视场角并去除零级亮斑和高级衍射干扰的实施例；
图4为位相型LCoS近眼显示***运用到双目显示中的光路设计和结构调整实施例；
图5为位相型LCoS近眼显示***在使用单光学引擎时的光路设计实施例。
具体实施方式
本发明的详细描述主要通过程序、步骤、逻辑块、过程或其他象征性的描述来直接或间接地模拟本发明技术方案的运作。为透彻的理解本发明，在接下来的描述中陈述了很多特定细节。而在没有这些特定细节时，本发明则可能仍可实现。所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员有效的介绍他们的工作本质。换句话说，为避免混淆本发明的目的，由于熟知的方法、程序、成分和电路已经很容易理解，因此它们并未被详细描述。
此处所称的“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。此外，表示一个或多个实施例的方法、流程图或功能框图中的模块顺序并非固定的指代任何特定顺序，也不构成对本发明的限制。
图1为实施例中一个基于GS算法的实施例，利用算法根据输入的图像信息和入射光调制生成位相型LCoS所要显示的光学图像，该算法是一种采用多次迭代求解图像相息图的相位恢复算法，其循环迭代的基本步骤如下：
(1)如步骤101，对已知实振幅的物面波函数的相位赋予初始值，即选择并组成初始图像对应的初始物面波函数并令迭代次数n＝0，如步骤102；
(2)将物面波函数代入基尔霍夫衍射积分式，进行傅里叶变换得到其谱面波函数un,即
其中λ为入射光的波长，k＝2π/λ为波数，r是平面波波面上任一点的位置矢量，θ为该任一点到频谱面的光线与水平方向的夹角；
(3)用初始图像的实振幅B取代谱面波函数un的振幅，与其相位组成新的谱面波函数，即如步骤104；
(4)对新的谱面波函数代入基尔霍夫逆衍射积分公式进行逆傅里叶变换得到物面波函数fn+1，如步骤106；
(5)如步骤107，用已知的实振幅A取代物面波函数fn+1的振幅，保持相位不变，组成下一次迭代的物面波函数，即
式中，Q为图片的通光孔径。
(6)如步骤108，对相应符号进行迭代，即然后回到步骤103开始下一次的迭代循环；
(7)如步骤105，经过n次迭代后，可得到观察平面内的光强分布，而图片的相位分布为此时为判断多次迭代后的结果，利用均方误差SSE或拟合系数η来决定是否停止迭代，其中
其中，u,v为x,y在频谱面上对应的空间频率，ε和γ是两个百分数，在本发明中分别取5％和95％。随着迭代次数的增加，误差逐渐减小。当SEE<5％且η＞95％时可以停止迭代，得到输出结果，如步骤109；
(8)由于LCoS具有离散像素结构可以被认为是一种光栅结构，所以LCoS成像将不可避免的形成零级亮斑，闪耀光栅是一种常用的衍射光学元件，具有闪耀特性，因此运用其特性处理GS算法获得的相位将有效解决零级亮斑问题。闪耀光栅一般以2π为周期对光波进行调制，重新调整光的衍射方向，使得再现像偏移，即可避免零级亮斑。根据光波的周期性质，将闪耀光栅的相位信息加载到算法中后，其相位可能超过它的周期，因此需要对新的相位对2π进行取余操作，得到的相位分布在0～2π之间，进而可以得到闪耀光栅的表达式：
其中m,n是二维闪耀光栅横纵范围，T是光栅周期，x，y分别表示加载到m和n方向的闪耀光栅。带入GS算法获得的相位后得出新的相位分布为如步骤110；
(9)即为最终输出的相位，也就是位相型LCoS所要显示的图像信息，如步骤111。
图2为位相型LCoS近眼显示***的基本结构图。***主要包括光源模块、位相型LCoS模块和图像接收模块。具体包括：激光光源201，可以为红绿蓝某一种单色光，也可以是多重激光复合光，激光器作为光源发出激光进入LCoS模块；可调衰减器202，该装置用以调节入射LCoS***的激光光强度，适应不同实验光强需要。扩束准直机构203，该机构由显微物镜、针孔和凸透镜组成。激光光束通过显微物镜后在针孔处会聚，随后发散经过准直凸透镜变成准直均匀平面波。偏振棱镜或极化分光镜204，均匀平面波被偏振棱镜的偏振面反射后至位相型LCo 205。随后光束在位相型LCoS表面发生反射再次通过偏振棱镜，至图像接收模块，在此过程中光束经过极化变成P波。半透半反镜206，光束经过半透半反镜206反射后进入照相机镜头207，照相机镜头207可同时记录经半透半反镜反射的LCoS产生的衍射图像和投射的现实场景图像，如此即达到虚拟图像和显示场景结合的目的。
图3为***增大视场角并去除零级亮斑和高级衍射图像的实施例。图3与图2的主要区别是在图像接收***，也包括激光光源301、可调衰减器302、扩束准直机构303、偏振棱镜或极化分光镜304、位相型LCo305、半透半反镜308和照相机镜头309。***增设4f***306和光阑307，4f***306由两片凸透镜组成。当光束通过4f***306第一片透镜时在透镜后焦点处成像，此时由于位相型LCoS的衍射特性会产生多级衍射图案，在焦点处放置一光阑307，在本发明中我们将虚拟图像的中心位置由零级偏移到正一级，调整光阑307位置和通光孔径可以使正一级通过，便得到清晰无干扰的图像。4f***前后两片透镜的焦距完全相同，得到的图像视场角不会有放大效果，因此需要对透镜焦距进行调整，使整个***起到放大作用，本实施例使用的是第一片透镜焦距100mm，第二前透镜焦距400mm，第一片透镜的后焦面和第二片透镜的前焦面重合，此时图像起到最好的放大效果，经过测量，视场角为35度。
图4为位相型LCoS近眼显示***运用到双目显示中的光路设计实施例。具有两套组件相同的位相型LCoS近眼显示***，分别对应左右眼。每套位相型LCoS近眼显示***均包括激光光源401、可调衰减器402、扩束准直机构403、偏振棱镜或极化分光镜404、位相型LCo405、4f***406、光阑407和半透半反镜408。本实施例中，为便于佩戴，可设置镜架或头盔，各部件安装在镜架或头盔上。人的眼睛409替换相机镜头来接收图像细腻。由于人的眼镜也是一个光学***，其原理与相机镜头类似，所以适当调节眼镜位置同样可以看到清晰的图像。为了压缩空间，4f***406中的两片凸透镜需调整参数，远离人眼的透镜焦距为30mm，靠近人眼的透镜焦距为60mm，其他的位置关系和图3实施例相同。该设计压缩了***的体积，使出瞳距降低到15mm，更适合人眼佩戴，但是放大效果较图3实施例相比有所下降，视场角为30度。左右眼的光学***完全相同，因此右眼的光路设计与左眼关于人的鼻梁位置镜像对称，当右眼的光学引擎输出的图案与左眼的镜像对称时，两只眼睛看到的虚拟图像将完全一致，这样即可达到双目显示的效果。
图5为位相型LCoS近眼显示***在使用单光学引擎时的光路设计实施例。采用单套位相型LCoS近眼显示***实现左右眼的双目显示。包括激光光源501、可调衰减器502、扩束准直机构503、偏振棱镜或极化分光镜504、位相型LCo505、4f***506、光阑507、第一半透半反镜508和第二半透半反镜510。4f***506为两片凸透镜，采用图4实施例所述的光学设计。当光束通过54f***06后首先经过第一半透半反镜508，该半透半反镜的反射率为30％，透过率为60％，光束通过第一半透半反镜508后30％的光能经过反射至即人的左眼509；60％的光能透过第一半透半反镜508后传播至第二半透半反镜510，该半透半反镜的反射率为50％，这样反射进入即人的右眼511的光能即为30％，如此即可保证进入两只眼镜虚拟像的光强完全相同。为了保证真实环境透射进人眼的光强也相同，在第二半透半反镜510远离眼镜的一面镀一层增透膜，增大透过第二半透半反镜510的光强，如此即可保证进入两只眼睛的光强和图像信息完全相同。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种位相型LCoS图像信号处理方法，其特征在于，包括：
步骤1：生成初始图像对应的物面波函数A表示入射光的振幅，表示初始的相位，i表示虚数单位；
步骤2：将初始的物面波函数fn代入基尔霍夫衍射积分式，进行傅里叶变换得到其谱面波函数un；
步骤3：利用初始图像的实振幅B取代谱面波函数un的振幅，生成新的谱面波函数
步骤4：对新的谱面波函数代入基尔霍夫逆衍射积分公式进行逆傅里叶变换得到物面波函数fn+1；
步骤5：利用实振幅A取代物面波函数fn+1的振幅，组成下一次迭代的物面波函数
步骤6：重复步骤2～步骤5的迭代循环，判断每次迭代后的均方误差SSE和拟合系数η，直至相邻两次迭代后的均方误差SSE与拟合系数η均小于设定的阈值，且输出n次迭代后的物面波函数；
步骤7：加载闪耀光栅的相位信息并与n次迭代的物面波函数的相位，算得新的相位分布为 为闪耀光栅的相位信息，为n次迭代后物面波函数的相位，即为输入位相型LCoS的图像信息对应的相位。
2.如权利要求1所述的位相型LCoS图像信号处理方法，其特征在于，在步骤6中，所述的阈值为相邻两次迭代后均方误差SSE和拟合系数η的变化量。
3.如权利要求1所述的位相型LCoS图像信号处理方法，其特征在于，所述闪耀光栅的表达式为：
其中，m,n是二维闪耀光栅横纵范围，T是光栅周期，x,y分别表示加载到m和n方向的闪耀光栅。
4.一种位相型LCoS近眼显示***，其特征在于，包括光源模块、位相型LCoS模块和图像接收模块，
所述的光源模块，用于发出激光并生成入射至位相型LCoS模块的准直均匀平面波；
位相型LCoS模块，包括位相型LCoS和处理单元，所述的处理单元根据权利要求1～3所述的位相型LCoS图像信号处理方法对输入所述位相型LCoS的图像信号进行处理，所述的位相型LCoS用于显示处理单元输入的图像信息并反射携带图像信息的光束；
所述的图像接收模块，用于采集由所述位相型LCoS反射的光束携带的图像信息，记录位相型LCoS产生的衍射图像和投射的现实场景图像。
5.如权利要求4所述的位相型LCoS近眼显示***，其特征在于，
所述的光源模块包括沿光路依次布置的：
用于发出激光光束的激光器，
用于调节入射位相型LCoS的激光光强的可调衰减器，
用于将入射到位相型LCoS的激光变成准直均匀平面波的扩束准直机构。
6.如权利要求5所述的位相型LCoS近眼显示***，其特征在于，所述的扩束准直机构和位相型LCoS间设置偏振棱镜或极化分光镜，用于发射扩束准直机构出射的光束进入位相型LCoS并透射位相型LCoS表面反射的光束。
7.如权利要求4所述的位相型LCoS近眼显示***，其特征在于，在所述的位相型LCoS和图像接收模块间设置4f***和光阑；
所述的4f***具有沿光路依次设置的两片凸透镜，第一片透镜焦距100mm，第二前透镜焦距400mm，第一片透镜的后焦面和第二片透镜的前焦面重合；所述光阑位于4f***的第一片透镜的后焦点处。
8.一种位相型LCoS近眼显示***，其特征在于，包括镜架以及安装在镜架内的光源模块和位相型LCoS模块；
所述的光源模块，用于发出激光并生成入射至位相型LCoS模块的准直均匀平面波；
位相型LCoS模块，包括位相型LCoS和处理单元，所述的处理单元根据权利要求1～3所述的位相型LCoS图像信号处理方法对输入所述位相型LCoS的图像信号进行处理，所述的位相型LCoS用于显示处理单元输入的图像信息并反射携带有图像信息的光束，由所述的位相型LCoS反射的光束进入人眼形成双目显示。
9.如权利要求8所述的位相型LCoS近眼显示***，其特征在于，在所述的位相型LCoS和人眼间设置4f***和光阑；
所述的4f***具有沿光路依次设置的两片凸透镜，第一片透镜焦距30mm，第二前透镜焦距60mm，第一片透镜的后焦面和第二片透镜的前焦面重合；所述光阑位于4f***的第一片透镜的后焦点处。
10.如权利要求9所述的位相型LCoS近眼显示***，其特征在于，分别在左右眼的正前方沿光路放置第一半透半反镜和第二半透半反镜，用于反射相同光强进入左右眼。
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